量子计算系列报告——第四次工业革命推手

光子盒研究院出品

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第一章 量子计算简介

一、量子信息理论

二、量子计算与经典计算

三、量子计算的应用前景

第二章 量子计算机的构建

一、构建量子计算的必要条件

二、量子计算机的基础架构

第三章 量子计算技术路线及主要参与者

一、量子计算技术路线

二、量子计算主要参与者

第四章 国际量子计算产业现状

一、量子计算机的发展路线

二、量子计算机的市场规模

第五章 中国量子计算产业现状

一、中国量子计算的政策支持

二、中国量子科技的投入情况

电子计算机是第三次工业革命的重要发明，至今仍为人类社会生活贡献着巨大的生产力。随着摩尔定律逐渐到达极限，蕴含超强算力的量子计算，有望作为下一代颠覆性技术，成为第四次工业革命的重要推手。

1981年，在MIT(麻省理工学院)和IBM联合举办的计算物理学会议(Physics of Computation Conference)上，物理学家Richard Feynman敦促全世界建造一台量子计算机。40年来，量子计算技术与产业逐渐发展壮大。目前，全球科技领军企业IBM、Google(谷歌)、Microsoft(微软)、Intel(英特尔)、霍尼韦尔(Honeywell)等，以及量子计算初创公司Rigetti、IonQ等，在量子计算领域不断发布研究成果，加速量子计算革命进程。美国、加拿大、欧盟和日本等国家和地区都在量子计算的科学研究和产业化方面不断加码，中国也在此番科技角逐中投入颇多，并取得了诸多举世瞩目的成绩。

随着量子计算的科学成果带给世人对未来的期望，越来越多的人开始关注量子计算或入局其中。光子盒在此背景下撰写了这份报告，力求以专业、客观、全球化的视角对量子计算的相关情况作以叙述，希望能为中国量子计算产业的发展提供参考和借鉴。

通过这份报告，您将了解到“什么是量子计算”、“什么是量子计算机”、 “量子计算的技术路线和主要参与者”、“全球量子计算发展现状”和“中国的量子计算发展现状”等问题。

本报告为光子盒研究院发布的《量子计算系列报告》第1期，后续将从整机、硬件、软件、算法、云平台、行业应用(金融、医药)等方面展开，详细介绍量子计算产业。

关键词：量子计算；量子计算机；全球量子计算现状；中国量子计算现状

一、量子信息理论

“量子(quantum)”这一概念由德国物理学家Max Planck在1900年提出，是微观世界中一个不可分割的物理量的基本单位，例如，光子是光的单个量子。量子理论是对微观物理世界一种运行机制的描述。量子力学是物理学的一个分支，是对亚原子粒子动力学的研究。这些亚原子粒子表现出一些在经典物体中无法观察到的奇妙而独特的现象。在深入了解前，首先需要熟悉一些特殊的量子现象。

叠加(superposition)：量子叠加是量子力学的基本原理。任意两个或多个量子态可以被加在一起(“叠加”)，其结果是另一个有效量子态。“薛定谔的猫”(Schrödinger's cat)[1]就是用来描述叠加态的经典比喻。在经典物理中，粒子任何时刻的状态都是空间中一个固定的点。在量子力学中，粒子可以不处于一个固定的状态，而且可以同时处于两种状态的叠加。

纠缠(entanglement)：量子纠缠现象仅出现在量子物理学中，这种关联是经典粒子对没有的。量子粒子可以跨越很远的距离连接并共享一个量子态。改变一个量子粒子的状态会对另一个量子粒子的状态产生相关影响。量子计算机通过纠缠量子比特，然后用信息对它们进行编码以在它们共享量子状态时运行计算来利用这种现象。

隧穿(tunneling)：量子隧穿指的是像电子等微观粒子能够穿入或穿越位势垒的量子行为，尽管位势垒的高度大于粒子的总能量。在经典力学里，这是不可能发生的，但量子力学理论却可以给出合理的解释。在量子力学中，波函数表示粒子在特定位置的概率，这表明粒子存在位于障碍物另一侧的概率。

不可克隆定理(No-Cloning Theorem)：由于量子力学的态叠加原理和系统态的演化遵从幺正变换，使得任何量子体系的任意未知量子态无法被完全复制，即无法在不破坏原来未知态的情况下对之进行观察和测量。无法克隆不可知的量子态是进行密码通信的基础。

二、量子计算与经典计算

量子计算(quantum computing)是基于量子的特性来存储数据和执行计算的，与经典计算(classical computing)[2]截然不同，是量子力学与计算机科学相结合的新一代计算方式。量子计算机(quantum computer)是利用量子计算技术构建的机器。量子计算涉及与信息和计算相关的知识，包括量子信息理论、量子比特相干控制、量子比特操控技术、量子比特存储技术、量子门的实现技术和量子容错理论等；此外，随着量子计算自身的发展，它还与多个学科进行交叉，发展出新的学科。

图1 量子计算与其他学科交叉发展的新学科

来源：世界经济论坛、光子盒研究院

量子计算与经典计算有诸多不同。经典计算的信息基本单位是“比特(bit)[3]”或“位”，用0或1的二进制数字表示；而量子计算的信息基本单位是“量子比特(qubit)”或“量子位”，用0、1或0和1的叠加状态来表示。此外，由于量子叠加和纠缠，相较经典计算机，量子计算机提供了指数加速。例如，2个纠缠在一起的量子比特，一次可以表示4种状态；N个纠缠在一起的量子比特，一次可以表示2N种状态，当N=250时，表示的状态数量比整个宇宙中的原子还要多。这样一来，量子计算可以实现并行计算。(目前量子比特纠缠数量的世界纪录是由中科大潘建伟团队保持的18个。)

在量子力学中，拥有专门表述量子比特的一套标准符号体系，称为“bra–ket符号”或狄拉克符号(Dirac notation)。这套符号用尖括号“<>”和竖线“|”来构造bra（<|）和ket（|>）(见图2)。一个ket，在数学上表示一个向量；在物理上，代表某个量子系统的一种状态。bra-ket表示法是一种简单的方式来引用具有复杂元素、任意维数的向量，该向量表示状态空间中的一个状态。量子态是|0>和|1>的线性叠加：|ψ>=α|0>+β|1>。

图2 经典比特(左)与量子比特(右)的差异

来源：光子盒研究院

图3 经典计算机与量子计算机位处理的区别

来源：光子盒研究院

图4 线性运算(2n)和指数运算(2n)的区别

来源：光子盒研究院

三、量子计算的应用前景

摩尔定律在半个多世纪以来不断推动计算能力的提升。即便如此，经典计算依然无法满足一些行业对计算的特殊需求，对新的替代计算技术的兴趣推动量子计算成为近些年的热门研究方向。比如，在经济社会中有一些重要问题：

在每一天，公司将产品从工厂运送到消费者手中的最有效方式是什么？

治疗特定疾病最有前途的生物分子是什么？

构建优化电池或显示器的最佳材料是什么？

这些问题虽然正在被经典计算机用各种方式解决，但随着全球进入数字化时代，数据量爆炸式增长，为了处理这些数据就需要指数加速的计算方式，量子计算有望以更快、更准的方式完成当前经典计算机根本无法完成的任务。量子计算现已在一些方面显示出其特有的“量子优越性”(quantum advantage)或“量子霸权”(quantum supremacy)[4]，但现在的量子计算机的量子比特数还较难解决真正的经济社会问题。量子计算的发展有望引发新的技术革命，提供前所未有的强力手段，对未来的社会经济生活，乃至国防安全等产生革命性的影响。

图5 量子计算有望解决的问题的范畴

来源：无邪[5]、光子盒研究院

金融领域：量子计算非常适合复杂的金融建模，在投资组合定价、衍生品定价等方面具有潜在优势。据不完全统计，全球已有超过25家国际大型银行及金融机构与量子计算企业开展合作研究。

更多量子计算在金融领域的应用，将发布在光子盒研究院《量子计算系列报告之金融行业应用》篇，敬请期待。

医药和化工领域：量子计算机有望比经典计算更有效地预测和模拟分子的结构、性质和行为(或反应性)。例如，通过建立一个基本量子物体的量子力学模型-电子在分子中相互作用，来了解大分子的化学性质或分子间的反应，有助于缩短新型药物的研发周期或用于开发新型材料。

更多量子计算在医药领域的应用，将发布在光子盒研究院《量子计算系列报告之医药行业应用》篇，敬请期待。

交通领域：量子计算在并行计算和优化方面具有潜力，有望改善大城市交通拥堵情况。2018年，Ford(福特)和微软在经典计算机上采用了量子计算流量模拟，结果显示，一种交通路由算法可以将西雅图(Seattle)的交通拥堵减少73%[6]。

气象领域：量子计算有助于提高天气预报的准确性。天气预报需要分析包含大量包含多个动态变量(气温、气压、密度)的模型，这些变量间以一种复杂的方式相互作用。然而，目前的经典计算机在这一方面仍存在局限性，且计算过程还不够快，经常无法跟上天气变化的速度。量子计算可以有效和快速处理包含多个变量的大量数据，而且，并行计算和不断优化的算法，可促进对气象条件的跟踪和预测。此外，量子计算机还可通过机器学习来识别和理解不同的天气模式。

能源领域：量子计算有可能应用于以下领域：模拟碳氢化合物井中各种类型粘土的化学成分和累积——这是高效碳氢化合物生产的关键因素；分析和管理风电场的流体动力学；优化自主机器人设施检查；并帮助创造前所未有的机会，提供世界想要和需要的清洁能源。2021年2月，英国BP公司与IBM Quantum展开合作，探索提高能源利用效率和减少碳排放。[7]

总结来看，量子计算能为人类社会解决的具体解决领域如下图所示。

图6 量子计算应用的三大领域

来源：光子盒研究院

一、构建量子计算的必要条件

DiVincenzo标准(DiVincenzo criteria)是构建量子计算机的必要条件，由理论物理学家David P. DiVincenzo于2000年提出[8]。

DiVincenzo标准有7条，构建单独一台量子计算机只需满足前5条，如果要将多台量子计算机连接，则需满足后2条。

（1）具有良好表征的量子比特可扩展物理系统，即有量子能级的Hilbert空间[9]；

（2）能够将量子比特的状态初始化为简单的基态，即将每个量子比特制备到|0〉状态；

（3）系统具有长的相干时间，能够使得量子操作(包含纠缠)和测量在相干时间内完成；

（4）能实施通用量子门的操作，即要实施任意的单量子比特的幺正变换，和对任意两量子比特实施受控非门(CNOT)[10]操作；

（5）能对量子计算的终态实施有效的量子测量；

（6）相互转换固定和飞行量子比特的能力；

（7）在指定位置之间忠实地传输飞行量子比特的能力。

二、量子计算机的基础架构

量子计算机由硬件与软件两大部分组成。量子计算的硬件结构可划分为4个层次：量子比特所在的“量子数据层”；根据需要对量子进行操作和测量的“控制和测量层”；确定操作和算法序列的“控制处理器层”；用于处理网络访问、大存储阵列和用户界面的“主处理器层”，该层通过高速宽带与控制处理器连接。量子计算机的软件包括，能让程序员描述量子计算算法的编程语言、分析它们并将其映射到量子硬件的编译器，以及可在特定量子硬件上实现分析、优化、调试和测试程序的其他软件支持，如调试软硬件的仿真和调试工具、帮助实现高效算法的优化工具、帮助确保软硬件正确性的验证工具[11]。

图7 量子计算机的基础架构

来源：光子盒研究院

1、硬件方面

当今的量子计算机[12]庞大而神秘，不同的量子计算机物理实现方式导致其核心硬件组成部分有一定差异。目前，超导和离子阱这两种技术路线在理论上已不构成障碍，发展较为成熟。下图以超导量子计算机为例，通过Rigetti公司的量子计算机核心部分拆解图，来简单介绍量子计算机核心硬件的内部构造。对于当前的超导量子计算机来说，其核心硬件包括稀释制冷机(dilution refrigerator)、低温同轴电缆(cryogenic coaxial cable)、量子测量和控制系统以及量子处理器(QPU)。

图8 Rigetti超导量子计算机的核心硬件

来源：Rigetti[13]、光子盒研究院

稀释制冷机是用于冷却处理器的制冷系统，目前满足量子计算需求的供应商较少且年出货量小。大多数科研单位、大学、量子计算研究公司搭建量子计算系统使用到的是芬兰Bluefors Oy公司和英国Oxford Instruments公司的稀释制冷机。以清华大学和北京大学采购的Bluefors型号为LD400的稀释制冷机为例，LD400系统通常在20mK下在实验法兰上提供超过15μW的功率，并且只需18升的液氦。此外，LD400在100mK下运行时具有约0.5 mW的高冷却功率。这套稀释制冷系统采用干净、开放的设计，敏感部件得到很好的保护，用户伸手较难触及，在安装实验设备过程中损坏的风险最小。只需按一下按钮，即可启动从室温到基础温度的全自动冷却序列。

图9 Bluefors LD-400稀释制冷机组图

来源：Bluefors[14]

低温同轴电缆是携带用于控制量子比特信号的一种半刚性电缆，由位于中心和外导体上的低导热金属材料组成，将超低温的量子设备与室温控制下的电子设备连接起来。低温电缆的这种极低的导热性可防止外部温度过低影响电缆的性能。它还允许极高的电流以最小的电损耗通过相对较小的横截面。这些因素使低温电缆能够在传统布线失败的情况下工作。电缆的布线将随着未来量子处理器拥有超过1,000量子比特时变得越来越复杂。目前量子计算机同轴电缆的供应商有日本Coax Co.公司和荷兰初创公司Delft Circuits等。

图10 同轴电缆的应用场景及细节图

来源：Delft Circuits[15]

量子处理单元(QPU，Quantum Processing Unit)也称为量子芯片，是一种物理实体(制造)或模拟处理器，量子芯片的基本逻辑单元是量子比特。这些量子比特可用于实现量子算法。QPU是量子计算机或量子模拟器的核心组件，未来发展方向可分为量子计算芯片和量子模拟芯片。

图11 低温CMOS(互补金属氧化半导体)技术

来源：微软[16]

更多量子计算硬件相关信息，将发布在光子盒研究院《量子计算系列报告之硬件》篇，敬请期待。

2、软件方面

量子计算机的发展离不开量子计算机软件，各类支持量子计算的软件也跟随量子计算机的使用在不断开发。例如，IBM的Qiskit、微软的QDK、谷歌的Cirq、Rigetti的Forest等。这些软件可以帮助用户较为轻松地执行量子计算机编程并输出结果。

更多量子计算软件相关信息，将发布在光子盒研究院《量子计算系列报告之软件》篇，敬请期待。

3、算法

算法是分步程序或指令序列，在计算机上运行以解决问题。由于量子计算有区别于经典计算的叠加、纠缠、相干等效应，因此需要设计新的量子算法，利用量子效应获得更快的解决方案。

量子算法中最著名的算法是Shor算法和Grover算法。Shor算法可以比最著名的经典算法以指数方式更快地解决大数分解[17]问题。现有的RSA加密算法就是基于大数分解的难度而存在的，Shor算法对于现有的RSA加密体系安全是一种挑战。Grover算法则是可以比现有的最佳经典算法更快地(平方加速)搜索非结构化数据库或无序列表。

更多量子计算算法相关信息，将发布在光子盒研究院《量子计算系列报告之算法》篇，敬请期待。

4、量子云平台

面对当前较为成熟的云计算技术，面对量子计算机物理实体稀少、不利于推动量子计算发展和无法满足量子科研需求的现状，具有云计算技术和量子计算机物理实体的公司近年来开发出量子云平台。例如IBM、谷歌、亚马逊等公司开发了可以通过云端的方式，接入实体量子计算机或量子计算模拟器，用户可以在全球各地通过登录云平台运行自己的量子程序。

更多量子计算云平台相关信息，将发布在光子盒研究院《量子计算系列报告之量子计算云平台》篇，敬请期待。

一、量子计算技术路线

目前，以超导电路(superconducting circuits)和离子阱(trapped ions)技术搭建的量子计算系统基本满足DiVincenzo标准的5个条件，而光子(photon)系统在第(3)条的受控非门(CNOT)方面较难实现。从量子计算的物理实现[18]要求和现今技术发展情况来看，超导和离子阱的量子计算实现系统当前比较成熟。此外，国际上正在尝试的量子计算系统的物理实现方式还有中性原子(neutral atoms)、硅自旋(silicon spin)、拓扑(topology)、NV色心(Nitrogen Vacancy centers in diamond)和量子点(quantum dots)等约十种。

不同的技术各自有某方面的优势，目前尚不清楚哪种方法最终会领先。例如超导体在保持相干性、控制电子间相互作用以及电子与其他自由度之间的相互作用方面具有优势[19]；离子阱有优越的连接性和更高的门保真度，这两个优势可以保证更高的量子体积(quantum volume, QV)[20]；光子系统具有抗外界干扰能力强、操作精度高、可室温工作等特点；拓扑量子比特具有更好的量子噪声处理。

表1 量子计算实现的技术路线

来源：光子盒研究院

二、量子计算主要参与者

量子计算的主要参与者可分为四大类：第一类是国际科技巨头，例如IBM、谷歌、霍尼韦尔等；第二类是量子计算初创公司，例如Rigetti、IonQ等；第三类是国家科研院所，例如美国费米国家实验室(Fermilab)、美国阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory)、中科院量子信息与量子科技创新研究院；第四类是高水平研究型大学，例如剑桥大学、中国科学技术大学、哈佛大学等。现在的量子计算机仅能处理某一个或某几个方面的问题，尚未达到通用的程度。量子科技企业不仅需要斥巨资研制量子计算机，还需要拥有诸多研究人员设计制造量子硬件和软件来支持这些机器。未来，通用量子计算机需要在底层量子物理设备、量子计算机架构、量子资源调度、上层量子程序设计语言、量子算法及量子应用软件等多方面进行努力。以下是量子计算行业的典型代表的简介。

1、IBM

IBM在量子科技领域已发展了40年，是全球量子计算方面的佼佼者。2019年1月，IBM推出量子计算系统IBM Q System One™，这是世界上第一个集成通用近似量子计算系统，专为科学和商业用途，也是有史以来第一次使通用近似超导量子计算机能够在研究实验室的范围之外运行。IBM还发布了量子软件开发工具包Qiskit，为全球量子科研人员和兴趣爱好者提供学习和开发平台。[21]IBM还为量子计算的产业化进行了布局，量子联盟IBM Quantum Network是一个由财富500强公司、学术机构、初创公司和国家研究实验室组成的社区，致力于通过与行业合作并培育不断发展的生态系统来加速和扩展量子计算，目前已有150多家成员，来自航空、汽车、银行、能源、保险等行业的企业和大学、科研院所。IBM拥有较为完整的量子计算生态体系，包括：量子计算机/模拟器、量子计算软件、量子云平台、量子产学研联盟等。

2、Rigetti Computing

Rigetti是一家美国的量子计算初创公司，创立于2013年，创始人Chad Rigetti是一位物理学家，曾在IBM从事量子计算机工作。Rigetti自主开发超导量子处理器(QPU)，公司还开发了Forest量子编程框架，使程序员能够编写量子算法，并且提供量子云服务(QCS)，其机器可以集成到任何公有云、私有云和混合云中。2017年，Rigetti的Fab-1工厂投入使用，是世界上第一家商用量子集成电路晶圆厂。Rigetti的最新处理器Aspen-9有31量子比特，部署于2021年2月。

3、美国费米实验室

费米实验室量子研究所(Fermilab Quantum Institute, FQI)）由美国能源部科学办公室(U.S. Department of Energy Office of Science)管理。费米实验室超导量子材料和系统中心(SQMS)旨在构建和部署基于超导技术的先进量子计算机。该中心还将开发新的量子传感器，这可能有助于发现暗物质和其他难以捉摸的亚原子粒子的性质。该中心将包括20个合作伙伴，包括国家实验室、大学和企业。

4、中国科学技术大学

中科大量子物理与量子信息研究部成立于2001年，研究部主任为潘建伟院士。研究领域为量子光学与量子信息，研究方向包括量子力学基本原理检验、光纤量子通信、自由空间量子通信、量子存储与量子中继、光学量子计算、超导量子计算、超冷原子量子模拟、量子精密测量以及相关理论研究等。中科大已经搭建了众多相关实验平台，建立和发展了一整套与量子信息实验研究相关的分析探测设备和手段，研究条件具有国际先进水平。

5、中国科学院量子信息与量子科技创新研究院

2020年，中国科学院、安徽省筹建中国科学院量子信息与量子科技创新研究院合肥实验室。该研究院是以2016年8月习近平总书记科技创新重要论述和考察安徽重要讲话精神为指引所创建的。合肥实验室总部位于安徽省合肥市高新区，总占地面积730亩，科研办公区一期总建筑面积26.3万平方米；实验室建有北京、上海、济南、深圳等基地；主要研究方向是量子通信、量子计算、量子精密测量、量子器件与材料等领域。量子创新研究院的依托单位为中国科学技术大学，实行理事会领导下的院长负责制，院长为潘建伟院士。截至2020年9月，量子创新研究院已凝聚起一支结构合理、多学科交叉、优势互补、密切协作的人才队伍，其中具有高级职称的科研人员560余人，连同从事基础研究、技术开发、工程应用的其他各类科研人员共计1,800余人。

一、量子计算机的发展路线

虽然国际上已有一些公司、大学和科研院所成功搭建了量子计算系统或制造出商业化的量子计算机，但全球的量子计算物理实体总量有限，这些所谓的量子计算机与人们为量子计算机所设定的标准相比，还有十多年的路要走，业界称当前阶段为嘈杂中等规模量子(Noisy Intermediate-Scale Quantum, NISQ)时代。嘈杂，指这类机器的相关技术还较为粗糙，例如，量子比特不稳定，受噪音影响大等；中等规模，指这类机器的量子比特数与真正实现商业价值的100万量子比特数相比还很小。随着构建量子计算机的相关技术在实验中不断浮出水面，一些量子计算公司也发布了自己的未来发展路线。以下选取IBM、谷歌和霍尼韦尔的量子计算发展路线图作以简单介绍，透过对量子计算国际巨头的中短期量子计算规划，可以窥探到全球量子计算机行业未来的发展节奏和进程。

更多量子计算产业发展相关信息，将发布在光子盒研究院《量子计算系列报告之整机》篇，敬请期待。

1、IBM

IBM作为经典计算机产业的核心企业，希望在新一代量子计算产业中继续稳固其地位。IBM拥有优秀的微纳加工的技术，因此在量子计算系统物理实现的路线上选择了超导量子技术。如今，IBM的量子计算机Quantum System One不仅部署在美国，还部署到了德国和日本。无论是前沿技术研究还是产业化发展，IBM都是拥有完整量子计算机生态体系的“蓝色巨人”。IBM在2020年9月和2021年4月分别发布其量子计算硬件和软件路线图[22]。IBM的量子计算硬件发展路线图是以设计一个通过云部署的全栈量子计算机为目标，使世界上任何人都可以编程。IBM计划2021年发布127量子比特的处理器，远期目标是实现1,000到100万量子比特处理器。软件方面的规划是与硬件协同发展。IBM量子计算将主要为自然科学、优化、金融和机器学习这四大方面提供算力。

图12 IBM量子计算机发展路线图

来源：IBM[23]

2、Google

谷歌在人工智能、机器学习、深度学习领域引领了一个时代，在新的量子时代，谷歌希望延续引领技术革命。谷歌量子计算项目创立于2006年，最初专注于软件。2014年，谷歌与加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校John Martinis教授团队合作研究量子计算硬件，该团队于2019年成功以名为“悬铃木”的处理器构建的量子计算系统实现了其宣称的“量子霸权”(quantum supremacy)。2021年5月，谷歌建成了新的量子人工智能园区(Quantum AI Campus)，园区包括其第一个量子数据中心、量子硬件研究实验室和量子处理器芯片制造设施。谷歌的目标是在十年内打造一款有用的、纠错的量子计算机。其量子硬件路线图规划，到2029年物理量子比特的演进路线将是：102Q(逻辑量子比特原型)、103Q(一个逻辑量子比特)、104Q(可平铺逻辑模块)、105Q(工程扩大)、106Q(纠错量子计算机)。

图13 谷歌人工智能量子硬件路线图

来源：谷歌AI

3、Honeywell

霍尼韦尔是总部位于美国的财富100强科技巨头，业务涉及航空、建筑技术、高性能材料、安全和生产解决方案等领域。霍尼韦尔目前拥有一支由150多名科学家、工程师、软件开发人员和功能专业人士组成的跨学科团队，致力于推进量子计算和解决跨行业的实际企业问题。2021年6月，霍尼韦尔和剑桥量子计算(CQC)公司宣布组建新的独立量子计算公司，预计于2021年第三季度完成合并。霍尼韦尔量子计算系统采用离子阱技术，是离子阱技术路线的佼佼者。2020年6月，霍尼韦尔发布了量子计算系统Model H0，四个月后发布了Model H1，保持实验测得的最高量子体积(QV1024)记录。霍尼韦尔建立了很多合作伙伴关系共同推进量子计算产业化应用，包括摩根大通、默克、DHL、宝马、新日铁、三星等。霍尼韦尔规划了2020年至2030年的硬件发展路线，将从嘈杂中等规模量子(NISQ)时代逐步过渡到容错量子计算(Fault-Tolerant Quantum Computing, FTQC)时代。霍尼韦尔量子比特布局策略实行Model H1(线性离子阱)、Model H2(跑道布局)、Model H3(网格布局)、Model H4(集成光学元件)、Model H5(大规模平铺)的发展路线。

图14 霍尼韦尔量子计算机硬件路线图

来源：霍尼韦尔量子解决方案[24]

二、量子计算机的市场规模

随着量子计算的研究逐渐深入，并且取得了诸多举世瞩目的进展，量子计算开始受到政府、科学界、产业界等越来越多的关注。美国、欧盟、日本、韩国、俄罗斯、印度等都已公开表示重视量子科技并加大投入，尤其是美国，不仅接连发布多项文件大举支持发展量子信息科学，还通过立法来保障量子信息科学(QIS)的贯彻实施。

量子计算机是相当复杂的大型设备，有着庞大的产业链。光子盒研究院此次仅从较为宏观的角度整合了量子计算产业生态系统图，主要分为硬件、软件、云平台、算法和其他服务。从量子计算生态系统图的应用场景部分可以看出，量子计算的应用场景较为广泛，但本质上依然与大规模计算相关。另外，中国虽然踏入了国际量子计算的第一梯队，但是在细分领域中需要继续加强，产业链中具有核心竞争力的上游供应商缺乏中国公司的身影。

图15 量子计算产业生态系统 

注：①量子计算的硬件因技术路线不同而产生一定差异，上图硬件部分以超导、离子阱和光子路线为例，列举核心组件。此外，每种技术也需要相应的测控系统。 ②软件和算法存在很大联系，量子软件公司和算法公司可能相同，即一家公司可能在算法和软件均有业务涉及。

来源：光子盒研究院，2021.8.20

量子计算全球市场方面，光子盒从硬件、基础软件、应用软件和相关服务四大方面对全球量子计算市场进行预测。2020年，全球量子计算市场规模总量约为3.25亿美元，2023年市场规模约为7.99亿美元，到2030年，可能到达“量子计算元年”，全球量子计算市场规模约为76.75亿美元。2020年至2030年量子计算全球市场规模预测如下：

图16 量子计算全球市场预测（单位：亿美元）

来源：光子盒研究院

一、中国量子计算的政策支持

近年来，中国在量子计算方面取得了多项重大进展，其中最令世界瞩目的是“九章”和“祖冲之号”量子计算原型机，它们代表着我国在量子计算某些领域的自主研发能力进入国际先进水平。这一切都离不开国家政策的支持。

2016年起，国家密集发布了多项量子相关政策，最初发布的政策主要向量子通信倾斜。2016年8月，量子计算第一次出现在国家发布的政策中。下表总结了近年来与量子计算和量子信息科技相关的政策。[25]

表2 中央政府支持发展量子计算或量子科技的相关政策

来源：光子盒研究院

除了中央政府，21个省市政府也出台了地方发展规划，政策摘要如下表：

表3 地方政府量子支持发展量子计算或量子科技的相关政策

来源：光子盒研究院

二、中国量子科技的投入情况

中国在量子科技领域的投资，主要有几个来源：“量子调控与量子信息”重点专项、国家自然科学基金、各省市政府专项投资和自然科学基金、各量子科技企业获得的投资等。

2006年2月，国务院印发《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》，将“量子调控研究”列为四个重大科学研究计划之一。[26]随即，2016年起，国家设立了“量子调控与量子信息”重点专项，量子计算与模拟是六个研究大方向之一[27]，其余五项是：关联电子体系、小量子体系、人工带隙体系、量子通信、量子精密测量。2016-2020年度，中国政府在“量子调控与量子信息”重点专项中共计拨款超过19.554亿元人民币。

表4 2016-2020年“量子调控与量子信息”重点专项数据汇总

注：2016年国拨经费实际总金额未披露，据已公示立项项目清单，金额超过人民币4.0402亿元。 2018年度、2019年度资助项目数量通过总资助项目数量倒算得出。

来源：2016-2020年度《“量子调控与量子信息”重点专项年度项目申报指南》、光子盒研究院

此外，2021年2月，国家自然科学基金委员会发布《第二代量子体系的构筑和操控重大研究计划2021年度项目指南》，对研究项目进行两档(直接费用平均资助强度约为80万元/项和350万元/项)资助[28]。

一些经济、技术强省、量子领军企业等也纷纷开始投入量子科技。其中，山东省、安徽省、广东省和江苏省对量子科技的重视较为突出。

表5 中国地方政府发展量子科技的投入情况

来源：光子盒研究院

中国的量子计算，在本轮的全球科技角逐中，不仅跟上了步伐，在某些领域的技术水平还进入了世界第一梯队。在实验室搭建量子计算系统和展示性量子计算机的任务，中国已经实现了，但是商业化的过程还有很长的路要走。制造量子计算系统或量子计算机需要多位科学家、系统工程师和工业设计师等共同合作研制，拥有复杂、模块化和紧凑的设计，而商用量子计算机还需针对稳定性、可靠性和持续商业用途方面进行优化。期待中国可以继续保持当前不断创新突破的劲头，逐一突破量子计算机核心组成部分“卡脖子”的问题，最终在全球量子计算产业站稳脚。

光子盒创立于2020年2月，名称来自于在1930年第六届索尔维会议(Solvay Conference)上，爱因斯坦在其与玻尔的争论(Bohr-Einstein debate)中提出的一项光子盒实验(photon-box experiment)。

光子盒定位为量子产业服务平台，通过推送前沿量子科技新闻、科普量子知识、解读量子技术、发布年度和专题报告等形式，致力成为中国量子科技产业最值得信赖的服务机构。截至2021年7月，光子盒已公开发布了20余份量子科技领域的专题报告，并且为10余家中国量子科技领军企业提供量子行业咨询和数据服务等。

2021年5月，光子盒作为协办方，与主办方中国电子科技集团公司电子科学研究院、社会安全风险感知与防控大数据应用国家工程实验室和中国工程科技发展战略安徽研究院，在安徽合肥成功举办了“2021中国量子科技产业‘双循环’高峰论坛”。

光子盒正在不断扩充自有量子科技产业数据库的广度与深度，建立多维量子产业数据信息，提供客观、专业、深入及具有时效性的量子行业报道与咨询服务。光子盒未来还将承办量子科技领域的论坛，提供更为丰富的主题和内容，联合量子产业科技公司、金融行业投资公司、国家/省级量子相关科研院所、政策战略研究单位等共同促进量子产业持续向好发展。

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注释：[1]薛定谔的猫是奥地利物理学家Erwin Schrödinger于1935年提出的思想实验，假设的猫可能同时被认为是活的和死的。这种情况经常出现在对量子力学解释的理论讨论中，特别是在涉及测量问题的情况下。[2]经典计算或传统计算，即当今社会主要使用的计算方式，还包括在此基础上的超级计算机。[3] bit是从binary digit（二进制数字）派生出来的词。[4]量子学界对于量子霸权和量子优越性的概念不完全一致，本文暂不讨论这一争论，暂认定为两个词组指相同的概念，即量子计算机能够执行某些经典计算机在合理的时间范围内根本无法完成的任务的能力。[5]https://mp.weixin.qq.com/s/-CxGXfciTHSfi2PLOGmRaA[6]https://medium.com/@ford/mass-navigation-how-ford-is-exploring-the-quantum-world-with-microsoft-to-help-reduce-congestion-a9de6db32338[7]https://www.bp.com/en/global/corporate/news-and-insights/press-releases/bp-joins-the-ibm-quantum-network-to-advance-use-of-quantum-computing-in-energy.html[8]https://arxiv.org/pdf/quant-ph/0002077.pdf[9]希尔伯特空间（Hilbert space）以David Hilbert命名，希尔伯特空间在数学和物理学中自然而频繁地出现，通常作为无限维函数空间。它是偏微分方程、量子力学、傅立叶分析（包括信号处理和热传递的应用）和遍历理论（构成热力学的数学基础）理论中不可或缺的工具。[10] CNOT即受控非门（controlled-NOT gate），出现在量子线路中，是量子逻辑门的一种，牵涉到两个量子比特间的运算。[11]http://www.casisd.cn/zkcg/ydkb/kjqykb/2019/kjqykb201902/201901/t20190129_5236473.html#_ftn1[12]当前阶段，量子计算机可指像IBM Quantum System一样的脱离实验室环境的大型机器，也指量子计算系统，即在实验室构建的，可以实现量子计算任务的大型计算体系。[13]https://www.rigetti.com/[14]https://bluefors.com/products/ld-dilution-refrigerator/[15]https://delft-circuits.com/applications/quantum-computation/[16]https://cloudblogs.microsoft.com/quantum/2019/11/04/announcing-microsoft-azure-quantum/[17]大数分解问题是指对于一个100位至200位甚至更高数位的合数进行因式分解，将其分解为两个素数的乘积，这一因式分解计算过程很难通过现有经典计算体系实现。[18]注：量子计算系统或量子计算机的物理实现方式表现为不同技术路线，即超导、离子阱、光量子等。[19]https://physicsworld.com/a/superconducting-quantum-bits/[20]量子体积是IBM提出的一个专用性能指标，其影响因素包括量子比特数、门和测量误差、设备交叉通信、以及设备连接和电路编译效率等。[21]https://newsroom.ibm.com/2019-01-08-IBM-Unveils-Worlds-First-Integrated-Quantum-Computing-System-for-Commercial-Use[22]https://www.ibm.com/blogs/research/2020/09/ibm-quantum-roadmap/[23]https://www.ibm.com/blogs/research/2021/02/quantum-development-roadmap/[24]https://www.honeywell.com/us/en/news/2020/10/get-to-know-honeywell-s-latest-quantum-computer-system-model-h1[25]注：量子信息科技主要包括三大部分：量子计算、量子通信和量子精密测量。这三大部分技术有一定相通之处，相辅相成，交叉发展。因此，无论是中国还是其他国家，在政策和资金投入上，经常会融合在一起。[26]http://www.gov.cn/gongbao/content/2006/content_240246.htm[27]http://www.gov.cn/xinwen/2016-09/21/content_5110218.htm[28]http://www.nsfc.gov.cn/publish/portal0/tab948/info79903.htm[29]http://www.gov.cn/xinwen/2017-12/13/content_5246484.htm[30]http://www.jinan.gov.cn/art/2019/9/3/art_2612_3284576.html[31]http://www.zgjssw.gov.cn/shixianchuanzhen/wuxi/202003/t20200303_6539407.shtml[32]http://gdstc.gd.gov.cn/zwgk_n/zcfg/gfwj/content/post_3095641.html[33]http://kjt.ah.gov.cn/kjzx/tzgg/120255301.html[34]http://www.gov.cn/xinwen/2021-03/13/content_5592780.htm[35]http://kjt.shandong.gov.cn/module/download/downfile.jsp?classid=0&filename=2527addc99e44b11a0c8c0be7c1dbbc8.pdf[36]http://www.gd.gov.cn/zwgk/wjk/qbwj/yf/content/post_3458462.html

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